Farbrad mit individuellen Auswuchtmassen entlang einer Führung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Farbräder, die beispielsweise in Projektoren verwendet werden, um eine farbsequentielle Beleuchtung zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Projektoren, die solche Farbräder verwenden.

Bauteile der oben erwähnten Art werden in Anwendungen gebraucht, in denen periodische Farbänderungen in schneller Abfolge generiert werden müssen. Optische Systeme, die solche Bauteile verwenden sind beispielsweise Bildprojektoren oder Displayanordnungen. Typische Anwendungen sind Rück- oder Frontprojektoren für Fernsehsysteme.

Um zu dem benötigten raschen Farbwechsel zu gelangen, werden Farbfilter in den optischen Lichtweg eines Lichtstrahls in rascher Abfolge hineingeführt. Zu diesem Zweck wird ein Träger verwendet, der an seiner Peripherie mit kreisförmig angeordneten Farbfiltersegmenten ausgestattet ist. Diese Anordnung bildet einen Farbrotor, wobei Teile der Segmente radial über den Träger hinausragen und dabei einen Farbring bilden. Dieser Farbring ist dazu vorgesehen, in den optischen Lichtweg ein- gesetzt zu werden. Der Farbrotor wird um seine zentrale Achse rotiert. Durch die Rotation des Farbrotors werden die Filtersegmente abwechselnd in den optischen Lichtweg hinein- und hinausgeführt. Hierdurch kommt die gewünschte schnelle Abfolge des Farbwechsels zustande. Der Farbrotor ist an einem Motor angeordnet, der es in Rotation versetzt. Der Farbrotor und der Motor bilden ein Farbrad.

Da das Bilderzeugungssystem in der Lage sein muss, Bilder mit hoher Qualität zu erzeugen, müssen die Farbwechsel in sehr rascher Abfolge ausgeführt werden. Das bedeutet, dass die Filtersegmente mit sehr hoher Geschwindigkeit durch den optischen Weg des Lichtstrahls hindurchbewegt werden müssen. Dies setzt eine schnel- Ie Rotation des Farbrotors voraus. Die Folge ist, dass große Kräfte, die von Zentrifugalbeschleunigungen herrühren und einige hundert Mal größer sind als die Erdbeschleunigung g, auf den Farbrotor und insbesondere auf die empfindlichen Segmente wirken. Für eine besonders gute Bildqualität können die Beschleunigungen durchaus 1000 g übertreffen. Solche Bilderzeugungssysteme müssen auch sehr hohe

Helligkeitsanforderungen erfüllen, die lediglich durch leistungsstarke Lichtquellen erreicht werden können. Aufgrund dieser leistungsstarken Lichtquellen ist das Bauteil entsprechend hohen Temperaturen von bis zu 100 ^c C ausgesetzt.

Zusätzlich ist nur eine geringe Rundlauftoleranz zulässig, um eine lange Lebensdauer des Bauteils zu erreichen. Daher muss beim Auswuchten des Farbrades viel Sorgfalt an den Tag gelegt werden. Andererseits wird eine breite Anwendung solcher Bauteile - beispielsweise in Display-Anwendungen des sogenannten Niedrigpreissektors - nur dann machbar, wenn es möglich ist, die Farbräder zu einem sehr geringen Preis und dennoch die hohen Qualitätsanforderungen erfüllend zu produzieren. In diesem Zusammenhang können daher keine komplizierten und teuren Auswuchtverfahren angewandt werden.

Es sind unterschiedliche Auswuchtverfahren bekannt: Sowohl statisches, als auch dynamisches Auswuchten; Auswuchten in einer Ebene oder in zwei Ebenen.

Im Rahmen des klassischen statischen Verfahrens wird der Farbrotor rotiert und die Umwucht gemessen. Es gibt immer dann Umwucht, wenn der Schwerpunkt des Rotors nicht mit der Rotationsachse zusammenfällt. Dies kann auf zwei Arten korrigiert werden. Entweder wird an einem bestimmten, von der Achse beabstandeten Punkt Masse vom Rotor entfernt (negatives Auswuchten) oder es wird an einem bestimmten, von der Achse beabstandeten anderen Punkt Masse zum Rotor hinzugefügt (positives Auswuchten).

Im Rahmen des negativen Auswuchtens werden typischerweise Löcher in den Träger gebohrt. Falls der Farbrotor während des Bohrens mit dem Motor verbunden bleibt, ist es gut möglich, dass die Lager unter den Kräften, die eventuell während des Bohrvorgangs auf sie ausgeübt werden, leiden. Man könnte auch daran denken den Farbrotor vom Motor zu entfernen, bevor die Löcher gebohrt werden. Unglückli- cherweise ist dies sehr zeitaufwendig und macht das Auswuchten daher teuer. Dies trifft besonders dann zu, wenn das Auswuchten in iterativer Weise durchgeführt wird (Rotation - erste Korrektur - Rotation - zweite Korrektur - ...).

Im Rahmen des positiven Auswuchtens wird ein zusätzliches Ausgleichsgewicht am Rotor befestigt. Bei Farbrädern wird dazu typischerweise ein Batzen Klebstoff am Träger befestigt. Falls die Masse des Klebstoffs nicht ausreicht wird der Klebstoff verwendet, um anderes Material mit höherer Dichte, beispielsweise ein Stück Stahl, an den Träger zu kleben. Es wird ein hohes Mass an Genauigkeit und Erfahrung benötigt, um nach diesem Verfahren auswuchten zu können, da beispielsweise der Klebstoff verlaufen und zu nicht vorgesehenen Teilen des Rotors fließen kann. Daher weist der Träger manchmal eine kreisförmige Rille zur Aufnahme des Klebstoffs auf. Dies limitiert allerdings den Freiheitsgrad das Ausgleichsgewicht zu positionie- ren. Zusätzlich nimmt das Aushärten des Klebstoffs Zeit in Anspruch, bevor der Rotor wieder in Rotation versetzt werden kann. Diese Methode des Auswuchtens ist daher insbesondere dann recht teuer, falls es in iterativer Weise, wie bereits für das negative Auswuchten beschrieben, durchgeführt wird.

Gemäß einer bekannten dynamischen Auswuchtmethode umfasst der Träger oder ein anderes Teil des Rotors einen Behälter mit einem ringförmigen Volumen in dem Klebstoff als Ausgleichsmasse aufgenommen werden kann. Bevor der Rotor in Rotation versetzt wird, wird der Klebstoff und falls notwendig beispielsweise einige Me- tallkügelchen in den Behälter eingebracht. Die in den Behälter eingebrachte Menge wird so gering gewählt, dass sie den Behälter nicht vollständig füllt. Wird nun eine solche Anordnung in Rotation versetzt, so wird der Klebstoff und mit ihm gegebenenfalls die Kügelchen automatisch in die richtige axiale Position fliessen um die Um- wucht zu minimieren. Danach wird der Klebstoff ausgehärtet. Dabei muss darauf geachtet werden, dass der Klebstoff nach der Rotation und/oder während des Aushär- tens an Ort und Stelle verbleibt. Auch hier steht für das Auswuchten ein Freiheitsgrad weniger zur Verfügung, da die radiale Position durch den Behälter vorbestimmt ist.

Die bisher beschriebenen Auswuchtverfahren bezogen sich ausnahmslos auf das Auswuchten in lediglich einer Ebene. Dies ist oftmals ausreichend und zwar besonders dann, wenn der Rotor annähernd durch eine dünne Platte beschrieben werden kann und wenn es nur zu moderaten Drehzahlen kommt. Allerdings werden Farbrotoren in Farbrädern häufig mit Drehzahlen von 7000 Umin (Umdrehungen pro Minute) bis 15000 Umin rotiert. In diesen Fällen ist die Auswuchtung in lediglich einer E-

bene manchmal nicht mehr ausreichend und das Auswuchten muss für zumindest zwei deutlich voneinander beabstandeten und zur Rotationsachse senkrechten Ebenen durchgeführt werden.

Auch hier können die verschiedenen Verfahren wie negatives und positives oder dynamisches Auswuchten zur Anwendung kommen, mit all den Vorteilen und auch all den Nachteilen der entsprechenden Methoden.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung ein Farbrad anzugeben, mit dem ein ver- einfachtes Verfahren zur Auswuchtung durchgeführt werden kann. Mit diesem Verfahren sollten zumindest teilweise die Nachteile der bereits bekannten Verfahren ü- berwunden werden.

Das Ziel kann mit einem Farbrad erreicht werden, bei dem zwei oder mehrere Aus- gleichsmassen an einer ringförmigen Führung vorgesehen sind. Die Führung ist im Wesentlichen koaxial zur Rotationsachse des Farbrades angeordnet. Die Ausgleichsmassen sind vor und während des Auswuchtprozesses längs der Führung beweglich an der Führung angeordnet. Der Grad der Beweglichkeit ist derart gewählt, dass sich die Ausgleichsmassen nicht aufgrund ihres eigenen Gewichtes be- wegen, mit dem nötigen Kraftaufwand allerdings manuell entlang der Führung bewegt werden können. Als Gesamtausgleichsmasse wird die Summe der Masse aller einzelnen in der oben beschriebenen Weise beweglichen Ausgleichsmassen definiert. Diese Gesamtausgleichsmasse wird so hoch gewählt, dass sie ausreicht, um die vernünftigerweise maximal zu erwartende Umwucht auszugleichen. Bei den heu- tigen Farbrädern sind dies bis zu 60mg.

Entsprechend einer Ausführungsform des im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgestellten Auswuchtverfahrens werden die Ausgleichsmassen am Anfang so angeordnet, dass der Schwerpunkt des Ausgleichsmassensystems im Wesentlichen auf der Rotationsachse des Farbrades zu liegen kommt. Der Farbrotor wird dann mit Hilfe des Motors in Rotation versetzt und die Umwucht der Farbrades wird gemessen. Aufgrund dieser Messung kann dann berechnet werden, wo der Schwerpunkt des Ausgleichsmassensystems anzuordnen ist, um die Umwucht des Farbrades zu minimieren.

Eine oder mehrere Ausgleichsmassen werden dann entlang der Führung bewegt, um den Schwerpunkt des Ausgleichsmassensystems an die gewünschte Position zu verschieben. Es ist möglich, eine Reihe von Iterationsschritten des Messens der verbleibenden Umwucht und des Bewegens der Ausgleichsmassen anzuwenden, um die Umwucht zu minimieren.

Figur 1 zeigt die Draufsicht eines Farbrades entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 zeigt den Querschnitt des Farbrades aus Figur 1 entlang der Linie AA'.

Im Folgenden wird die Erfindung im Detail und anhand von Figuren und den entsprechenden Ausführungsformen als Beispiele genauer erläutert.

Figur 1 zeigt die Draufsicht eines Farbrades 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit Filtersegmenten 3, 3', und 3" und einer Abdeckung mit einer kreisförmigen Schiene 5, die die Führung bildet. Die Abdeckung ist an den Segmenten 3, 3' und 3" derart angeordnet, dass der Mittelpunkt der kreisförmigen Schiene 5 zumindest im Wesent- liehen auf der Rotationsachse des Farbrades liegt. An der Schiene 5 sind zwei Klammern 7, T mit gleicher Masse beweglich angeordnet und bilden ein Ausgleichsmassensystem. Die Klammern haben im Beispiel jeweils eine Masse von 20 mg und bestehen aus Blech. Andere Materialien, wie zum Beispiel Plastik oder Federstahl sind möglich. Das Auswuchtmassensystem hat hier daher eine Gesamt- masse vom 40 mg. Die Arme der Klammern 7, T pressen gegen die Seitenwände der Schiene 5. Um die Klammern daher verschieben zu können muss eine Reibungskraft überwunden werden, die größer als ihre eigene Gewichtskraft ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Klammern nicht aufgrund der Handhabe der Farbräder während und nach dem Auswuchten aus Versehen verschoben werden. An den Klammern können noch Mittel, beispielsweise Stifte, vorgesehen sein, die es einfach erlauben, zeitweise die Arme auseinander zu drücken, um die Reibungskraft zu erniedrigen und ein einfacheres Verschieben zu erlauben.

Die Figur 2 zeigt den Querschnitt des Farbrades 1 der Figur 1 entlang der Linie AA'. Diese Figur zeigt zusätzlich einen zuvor verdeckten scheibenförmigen Träger 9 an den die Segmente 3, 3', 3" und der Motor (hier nicht gezeigt) angeordnet sind.

Zu Beginn des Auswuchtprozesses werden die Klammern 7, 7' so an der Schiene 5 angeordnet, dass sie sich diametral gegenüber liegen, d.h. die Verbindungslinie durch das Zentrum 11 das, die Lage der Rotationsachse markiert, gehen. Da die Klammern gleiche Masse haben, liegt damit ihr gemeinsamer Schwerpunkt im Zentrum 11 und trägt somit zunächst einmal nichts zur Umwucht bei.

Anschliessend wird die Umwucht gemessen. Beispielsweise wird hierzu das Farbrad in Rotation versetzt und die lateralen Kräfte auf den Motor während der Rotation gemessen. Aus diesen Messungen lässt sich in bekannter und hier nicht weiter zu beschreibender Weise die Richtung und der Betrag einer anzubringenden Aus- gleichsmasse in zuvor gewähltem Abstand ermitteln. Typischerweise gehört zu den vorgängigen Eingabeparametern eines entsprechenden Messgerätes die Angabe, in welchem Abstand von der Achse eine Ausgleichsmasse angebracht werden soll. Das Gerät ermittelt dann den Betrag der benötigten Masse sowie deren Winkelposition. Dabei ist klar, dass zu jedem zuvor gewählten Abstand eine bestimmte Masse zur Auswuchtung führt; das Produkt aus Abstand und Masse aber konstant ist. Aus diesem Grund lässt sich einfach ermitteln, welche Position (Abstand vom Zentrum und Richtung) zu wählen ist, wenn eine Ausgleichsmasse vorgesehen ist, die der Gesamtmasse der beiden Klammern entspricht. Im Beispiel wird zur Kalibration des Messgerätes ein Abstand von 2cm gewählt, was dem Radius R der Schiene 5 ent- spricht. Ermittelt das Messgerät nun beispielsweise, dass im Abstand von 2cm vom Zentrum 11 eine Auswuchtmasse von 12 mg in eine bestimmte Richtung benötigt wird, um die Umwucht zu beseitigen, so wird eine Auswuchtmasse von 40 mg in einem Abstand von D= (12 mg x 2cm) / 40 mg = 0.6cm benötigt. Dies entspricht aber der Gesamtmasse des Auswuchtmassensystems. Hierdurch und mit der durch das Messgerät angezeigten Richtung wird diejenige Position 13, an der eine der Gesamtmasse des Auswuchtsystems entsprechende Auswuchtmasse anzubringen wäre, um damit eine Auswuchtung des Farbrades zu erzielen, festgelegt. Das Farbrad ist dann ausgewuchtet, wenn es gelingt den Schwerpunkt des Auswuchtmassensystems zu dieser Position zu verschieben. Eine Gerade 22, die durch diese Position 13

geht und senkrecht auf die durch das Messgerät angezeigte vom Zentrum 11 ausgehende Richtung steht - die Richtung ist durch den Pfeil in der Figur 1 angedeutet - führt auf zwei Schnittpunkte mit der Schiene 5. Wird jeweils eine Auswuchtmasse an jeweils einen Schnittpunkt verschoben, so kommt der gemeinsame Schwerpunkt des Auswuchtmassensystems an der gewünschten Position zu liegen. Dem entspricht im Beispiel die Rechnung, dass die Auswuchtmassen jeweils in einem Winkel θ = ± a cos(D/R) = ±a cosφ.βcm/ lern) = ± 72.54° gemessen von der durch dass Messgerät angezeigten Richtung anzubringen sind. Allgemeiner gesagt: Ist M _mes die vom Messgerät ermittelte Auswuchtmasse, die auf der Führung anzubringen wäre und haben die beiden zur Verfügung stehenden Auswuchtmassen jeweils eine Masse M ₃ , so sind diese in ein Positionen auf der Füh-

M rung zu verschieben die um <9 = ±αcos( — ² ^) von der vom Messgerät angezeigten

2M _a

Richtung abweichen.

Damit ist der Auswuchtvorgang abgeschlossen. Es ist allerdings möglich, dass aufgrund der limitierten Positioniergenauigkeit der Klammern eine Restumwucht übrig bleibt, die natürlich wiederum gemessen werden kann. Falls diese Restumwucht ü- ber den für die Anwendung gewünschten Wert hinaus geht, kann, wie beim Justieren üblich, durch inkrementelle Verschiebungen der Klammern und nachfolgenden Mes- sungen des Effektes der Verschiebung versucht werden, diese weiter zu minimieren.

Es wurde bisher lediglich die Auswuchtung mittels zweier Auswuchtmassen beschrieben. Die aus der Erfindung zu ziehende Lehre beschränkt sich aber keinesfalls auf lediglich zwei Auswuchtmassen. Beispielsweise ist es denkbar drei Klammern oder noch mehr Klammern zu verwenden. Diese werden dann wiederum anfangs so an der Schiene angeordnet, dass der gemeinsam Schwerpunkt auf der Rotationsachse zu liegen kommt.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Farbrad mit Auswuchtvorrichtung, wobei die Auswuchtvorrichtung eine im Wesentlichen kreisrunde Führung umfasst, die ihren

Kreismittelpunkt auf der durch das Farbrad definierten Rotationsachse hat und an der Führung mindestens zwei längs der Führung individuell voneinander bewegliche

Auswuchtmassen, die zusammen ein Auswuchtmassensystem bilden, dergestalt vorgesehen sind, dass um jeweils die Auswuchtmassen entlang der Führung zu bewegen eine Kraft notwendig ist, die größer ist als die Gewichtskraft der jeweiligen Auswuchtmasse.

Gemäß einer Ausführungsform ist ein solches Farbrad dadurch gekennzeichnet, dass die Führung durch eine Ausformung eines Bestandteils des Rotors des Farbrades gebildet wird und die Auswuchtmassen des Auswuchtmassensystems diese Ausformung im Querschnitt umklammern.

Alternativ ist ein solches Farbrad dadurch gekennzeichnet, dass die Führung durch eine Einformung eines Bestandteils des Rotors des Farbrades gebildet wird und die Einformung die Ausgleichsmassen des Auswuchtmassensystems im Querschnitt umschliesst.

Gemäß einer Ausführungsform hat das Farbrad jeweils Paare von Auswuchtmassen des Auswuchtmassensystems mit im Wesentlichen gleicher Masse. Das Auswuchtmassensystem kann auch so ausgelegt sein, dass es lediglich zwei Auswuchtmassen umfasst, die insbesondere gleiche Masse haben können.

Ausgewuchtet werden kann das erfindungsgemäße Farbrad nach folgendem Verfahren, wobei

- in einem ersten Schritt die Auswuchtmassen auf der Führung derart angeordnet werden, dass der Schwerpunkt des Auswuchtmassensystems im wesentlichen auf der Rotationsachse des Farbrades liegt

- und in einem darauffolgenden zweiten Schritt die Position bestimmt wird, an der eine der Gesamtmasse des Auswuchtsystems entsprechende Auswuchtmasse anzubringen wäre um damit eine Auswuchtung des Farbrades zu erzielen - und in einem darauffolgenden dritten Schritt mindestens eine der Auswuchtmassen derart verschoben wird, dass der Schwerpunkt des Auswuchtmassensystems auf der zuvor bestimmten Position an der eine der Gesamtmasse des Auswuchtmassensystems entsprechende Auswuchtmasse anzubringen wäre, zu liegen kommt.

Zusätzlich und optional können die Auswuchtmassen nach dem Auswuchten in einem abschliessenden Schritt an und längs der Führung unbeweglich fixiert werden.

Umfasst das Auswuchtsystem des Farbrades lediglich eine erste Auswuchtmasse und eine zweite Auswuchtmasse so kann es nach einem Verfahren ausgewuchtet werden dem

- im ersten Schritt die Auswuchtmassen diametral gegenüber angeordnet werden

- zur Ermittlung der Position gemäß zweitem Schritt das Farbrad in durch den Motor in Rotation versetzt wird und die Umwucht gemessen wird - und im Rahmen des dritten Schrittes die Ausgleichsmassen zu den Schnittpunkten einer Geraden mit der Führung verschoben werden, wobei die Gerade durch die im zweiten Schritt ermittelte Position geht und senkrecht auf der Verbindungslinie von Kreismittelpunkt und Position steht.

Die oben beschriebenen Verfahren führen jeweils zu einem erfinderischen Farbrad mit einzelnen unabhängigen Auswuchtmassen entlang einer im Wesentlichen kreisrunden Führung mit Kreismittelpunkt auf der Rotationsachse des Farbrades, wobei der Schwerpunkt des durch die Auswuchtmassen gebildeten Auswuchtmassensystems im Wesentlichen auf dem Punkt zu liegen kommt, an dem eine Auswuchtmas- se mit dem Gesamtgewicht des Auswuchtmassensystems anzubringen wäre, um das Farbrad auszuwuchten.